Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011
Основные молекулярные генетические механизмы
Четыре основных генетических процесса
Огромное разнообразие белков как молекулярных машин и регуляторов метаболических процессов в любом организме запрограммировано той генетической информацией, которая хранится, передается из поколения в поколение, считывается и реализуется в конкретные клеточные структуры с помощью нуклеиновых кислот.
Макромолекулы нуклеиновых кислот:
1) содержат информацию, определяющую последовательность аминокислот и, следовательно, структуру и функции всех белков в клетке;
2) являются частью клеточной "фабрики," в которой отбираются и выстраиваются в необходимой, "правильной" последовательности аминокислоты в процессе синтеза полипептидных цепей;
3) катализируют необходимые в процессе биосинтеза белков химические реакции, включая образование пептидных связей между аминокислотами.
ДНК содержит всю информацию, необходимую для синтеза клеток и тканей организма.
Точность копирования этой информации - гарантия генетического наследования и правильного развития любого организма.
Информация, записанная в ДНК, хранится в виде смысловых единиц, которые называются генами.
В процессе транскрипции информация с гена копируется в РНК.
Три типа РНК выполняют три различные функции в процессе синтеза белков.
мРНК. РНК первого типа - информационная или матричная РНК, мРНК (mRNA - messenger RNA) переносит от ДНК "технологические инструкции", которые задают однозначный порядок аминокислот в ходе белкового синтеза.
Процесс собирания аминокислотной цепочки на основе этих инструкций называется трансляцией мРНК.
тРНК. В процессе трансляции информация мРНК считывается и обрабатывается рибонуклеиновыми кислотами второго типа, которые называются транспортными РНК, тРНК (tRNA - transfer RNA) с помощью рибонуклеиновых кислот третьего типа, рибосомных РНК. Транспортне РНК выполняют функцию "словаря", для перевода генетической информации, записанной в ДНК с помощью четырёх нуклеотидов, в аминокислотную последовательность первичной структуры белков, записанную с помощью двадцати протеиногенных (стандартных) аминокислот.
рРНК. Рибосомные РНК, рРНК (rRNA - ribosomal RNA) и связанные с ними рибосомные белки обеспечивают синтез белков. Как только "правильная" аминокислота оказывается доставленной к месту синтеза соответствующей тРНК, рибосома катализирует присоединение этой аминокислоты к белковой цепи, то есть катализирует образование пептидной связи.
Открытие в 1953 году структуры ДНК и дальнейшее исследование молекулярных генетических механизмов того, каким образом ДНК управляет синтезом РНК, а та, в свою очередь, направляет синтез белка, позволило сформулировать так называемую основную догму молекулярной биологии.
Основная догма молекулярной биологии:
Перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.
Однако сразу же заметим, что при всей значимости, основная догма молекулярной биологии не отражает действительную роль белков в процессе биосинтеза нуклеиновых кислот, и их роли в управлении генной экспрессией.
Кроме того, в 1970 году было открыто явление обратной транскрипции у ретровирусов и обнаружен фермент обратная транскриптаза (см. п. 7.4), который катализирует процесс синтеза ДНК по молекуле РНК, иными словами, перенос генетической информации может идти и в направлении РНК → ДНК. Подробнее это отклонение от основной догмы молекулярной биологии и использование явления обратной транскрипции в генной инженерии будет рассмотрено в заключительных частях курса.
На рисунке 1 показаны четыре основных генетических процесса:
1) транскрипция,
2) процессинг РНК,
3) трансляция РНК,
4) репликация ДНК,
рассмотрению которых будет посвящен данный раздел курса.
Кроме того, будут также рассмотрены процессы с участием вирусов, поскольку вирусы паразитируют на генетических механизмах клетки.
Последовательность процессов 1 → 2 → 3 (рисунок 1) как раз и иллюстрирует основную догму молекулярной биологии.
В ходе транскрипции гена (процесс 1), которую осуществляет фермент РНК-полимераза в ядре клетки, генетический код переносится (копируется, транскрибируется) на про-мРНК (прообраз матричной РНК или предшественница функциональной мРНК) (precursor messenger RNA, pre-mRNÄ) посредством полимеризации мономеров рибонуклеозидтрифосфатов, рНТФ (ribonucleoside triphosphate monomers, rNTP).
Удаление "лишних" последовательностей и некоторые другие модификации про-мРНК, которые в совокупности называются процессингом мРНК (процесс 2 на рисунке 1), образуют функциональную мРНК, которая транспортируется в цитоплазму клетки.
Рисунок 1 - Обобщенная схема четырёх основных молекулярных генетических процессов
В процессе трансляции (процесс 3 на рисунке 1) на рибосоме код мРНК, записанный с помощью четырёх нуклеиновых оснований, декодируется в аминокислотную последовательность белков - происходит перевод информации с четырёхбуквенного языка нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный язык белков, поэтому такой процесс перевода с одного языка на другой и носит название трансляция.
Рибосомы собираются из двух субъединиц, которые, в свою очередь, синтезируются из рРНК и рибосомных белков в ядрышке. После выхода в цитоплазму рибосомные субъединицы присоединяются к мРНК и осуществляют синтез белка при помощи тРНК и различных факторов трансляции.
В ходе репликации ДНК (процесс 4 на рисунке 1), которая происходит только в готовой к делению клетке, происходит полимеризация дезоксирибонуклеозидтрифосфатных мономеров, дНТФ (deoxynucleotide triphosphate monomers, dNTP), в результате чего в ядре образуется две идентичные копии каждой хромосомной молекулы ДНК. Каждая из дочерних клеток получает одну из этих идентичных копий.